胶合板热压过程中传热传质研究毕业论文.doc

胶合板热压过程中传热传质研究毕业论文目 录封面1承诺书2摘要3目录41 前言52 试验材料与方法6 2.1 实验材料6 2.2 实验设备7 2.2.1 主要实验仪器说明7 2.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明及设置7 2.2.1.2 温度压力一体式传感器82.3 实验方法8 2.3.1 单板含水率的控制9 2.3.2 温度气压测点的设置9 2.3.3 温度和气压的测量方法10 2.3.4 实验过程112.4 实验方案123 结果与分析123.1 胶合板热压过程传热传质情况123.2 不同热压温度下胶合板传热传质情况163.3 不同热压压力下胶合板传热传质情况183.4 不同初含水率的胶合板传热传质情况194 总结20参考文献20致谢221 前言胶合板是最早开始发展的一种人造板。早在公元前3000年的古埃及就有用作装饰材料的锯制薄木，如鸟木薄片的制造。1818年有了旋切机的首次发明，此后的1840年和1844年法国和美国先后获得了旋切机的发明专利。十九世纪的六七十年代，美国和法国等已开始了胶合板的小批量生产。到十九世纪末，胶合板的质量已为消费者认可，有了真正意义上的批量生产。第一次世界大战期间，plywood才成为一种真正的商品名称，胶合板工业已初步形成。20世纪二十年代，我国也已有由外国商人在我国东北地区开办的胶合板厂。目前，就全球来看，胶合板生产主要集中于北美、北欧和东南亚三大区域。北美主要以花旗松和南方松为原料生产结构用厚胶合板；北欧则用小径木生产接长的单板制造结构用横纹胶合板；东南亚则以热带雨林阔叶材，如柳桉，生产三层胶合板为主。我国亦以生产三层胶合板为主，且以进口材为面板，辅以国产速生材的芯板，仅小部分以国产材生产厚胶合板1,2,3,4。胶合板是中国人造板产品中国际市场占有率最高的品种，2009年的市场占有率达到29.7%5。胶合板产业的迅速发展有多个层面的意义。首先，这说明中国胶合板生产工艺较为成熟，在国际市场有较强的竞争力；同时，我们必须意识到，胶合板是所有板种中技术要求最低、加工流程最简单、投资规模最小的品种，中国胶合板的单线产量与世界相比还有较大差距，大多为小作坊生产。其次，胶合板产量的剧增说明中国以民营经济为主体、甚至家庭作坊为主体的人造板产业特征明显，这对促进中国劳动力就业和乡村地区经济发展发挥了巨大作用，但正由于工艺简单、规模较小等因素，胶合板在面对国际市场风险时，应对能力是最差的。最后，胶合板是资源利用率最低的板种，仅为中密度纤维板的60%， 随着中国森林资源的紧缺，尤其是大径级木材的稀缺性，胶合板产业未来面临较大的发展压力6。 杨树属杨柳科杨属(Populus1)，是落叶乔木，生长较快，特别是速生杨树生长更快，生长78年即成熟。杨树纹理较直，结构细，材质轻，材表面平滑，有一定的实用价值。作为胶合板的生产原料，杨木是比较新的树种，其生产经验不足，还有许多问题需要解决，其中最常见的就是胶合质量不稳定，有时出现局部开胶、鼓泡、翘曲等现象，直接影响企业的经济效益7。因此，研究杨木单板压制胶合板的传热传质有很大的实际意义。 在很多种木质复合材制造的过程中，热压是一个重要的环节，改善热压工艺是提高木质复合材质量和性能的重要途径之一。热压是人造板（wood-based Panel）生产中的关键性工序之一8,9，或称其为最重要的工序之一6，。直接关系到人造板产品的性能及其劳动生产率和成本10,11,12,13,14。目前我国绝大多数的人造板企业，生产中一般根据经验确定热压时间，而对于热压过程中的导热问题研究较少。为了能够较准确的制定热压时间，改善热压工艺，充分了解木材受热压时导热规律是必要的15。热压是人造板生产中的关键工序,不仅直接影响热固性树脂胶的固化速度和程度,影响产品密度、胶合强度等物理力学性能,而且决定着设备生产能力及生产能耗16。热压过程中板坯内部的主要环境因子包括温度、气压和含水率。其中，温度直接影响加压时间和生产率;气压(大部分是水蒸汽压力）直接影响卸压时是否会“分层、鼓泡”,影响成板力学性质，并与热传递有交互作用；含水率影响热量的传递和气压的变化,从而影响人造板的性能17 。 近几十年来，木材科学的专家学者们采用模型分析的方法，即通过研究板坯结构中的传热传质机理，建立或借鉴现有的数学模型来描述和模拟各种实际的物理过程，或者通过实验来确定板坯的各种物理参数和传输系数，如热导率、导温系数、湿扩散系数等，从而为建立模型和求解模型提供基础数据。Kamke等将人造板的热压过程描述为“一个伴随着动量传递、热传递、质传递及板坯内部复杂化学反应和相变同时发生的复杂过程”18。而且板坯主要是由木单板、空气和水分组成的三相体系，所以板坯内部环境变化的研究一直是个难点板坯在热压过程中的定型主要通过两个方面的作用完成：压力的作用，使板坯内部空隙度减小，板坯形成一定的密度；热量在板坯内部传递，达到胶粘剂固化的温度要求，使胶粘剂固化，伴随此过程板坯内的水被加热汽化，产生一定的气压因此，在板坯内部环境的研究中，板坯内部的温度场和气压变化是研究的重点，能够为最优热压工艺的选择提供最基本的信息19。北京科技大学热能工程系和加拿大森林研究所合作对木材热压过程热量与含湿量的传输进行了研究. 在一定的理论基础和合理的假设下, 建立了数学模型, 可以预测热压过程中木材内部的瞬时温度分布20。徐长妍研究了喷蒸真空热压板坯内部的温度分布特征. 实验中采用热电偶对板坯内部的温度变化进行测量. 实验结果表明, 平行于热压板的板坯中心平面内的温度分布比较均匀, 沿板坯厚度方向各点的温度分布差异较大. 在喷蒸真空热压过程中, 板坯内部的温度上升速率比传统热压快得多21 。谢力生( 2002) 对干法生产纤维板的热压传热进行了研究, 推导出了理想条件下板坯中心层达到胶粘剂固化温度( t Z ) 所需时间的数学模型22。Kamke 研究了板坯含水率、密度、厚度及木质单元的形状对人造板热传导性能的影响23。Kamke 和Casey 采用热电偶和压力传感器, 对大片刨花板坯在传统热压过程中内部的温度和气压成功地进行了测量 ， 并探讨了热压温度和板坯初含水率对主要板坯内部环境因素-温度和气压变化的影响作用24。胶合板热压过程中心层温度变化曲线基本可以根据热压时间分为短暂恒温、快速升温、水分汽化恒温和慢速升温四个阶段；胶粘剂种类、施胶量、单板材种、纹理排列方式和板坯密度对胶合板的热压传热过程影响很小；单板含水率、板材厚度和热压板初始温度对胶合板热压传热影响比较显著25。2 实验材料与方法2.1 实验材料实验材料为400mm400mmm2.0mm（长宽厚）的杨木单板，所用杨木产自苏北，品种为意大利速生杨木。 2.2 实验设备LHS-250SC恒温箱（精度0.1） METTLER TOLEDO AG204电子天平（最大210g 精度0.1mg）电子称（最大6000g 精度1g） 101-3型电热鼓风恒温干燥箱（温度10300）R4000无纸记录仪温度压力一体式传感器XLB-O500X500压力成型机 2.2.1 主要仪器说明 2.2.1.1 R4000无纸记录仪简要说明R4000无纸记录仪采用32路微处理器和5.6英寸TFT蓝色液晶显示屏，内置32MB NAND FLASH 作为历史数据的储存介质，具有12路模拟量输入、2路脉冲量输出、4路模拟量变送输出、12路开关量输出和100mA配电输出。可实现采集、显示、处理、记录、积算、报警、配电等功能。通过CF卡可实现历史数据管理，通过RS-232/RS-485可将数据上传至计算机。本实验主要使用热电偶信号和电压信号的输入。具体技术参数如下： CPU类型：32位ARM内部储存介质：32MB NAND FLASH 屏幕类型：5.6英寸TFT蓝屏 屏幕分辨率：320234 输入型号类型：/标准信号、毫伏信号、热电阻、热电偶、频率信号 最大AI通道数：12 最大DO通道数：12 最小采样周期：1s 显示刷新速度：1s 准确度：0.2% 通讯接口：RS-232/RS-485/以太网使用通道设置如下： 通道组态设置：通道123456910表征温度温度温度温度温度温度温度压力单位MPa型号KKKKKKK420mA量程0-1500-1500-1500-1500-1500-1500-1500-1滤波时间1s1s1s1s1s1s1s1s注：9、10是温度压力一体式传感器在测点3的温度和气压。系统设置：记录时间： 1s； 2.2.1.2 温度压力一体式传感器 该温度压力传感器系由两部分组成（图2-1）。1为外径2.0mm，内径1.2mm的毛细不锈钢管，其加工成尖削状的一端封闭，并在离端头10mm处的管壁上开有与管内空腔相连通的直径1mm的小孔，用以导入热压过程中产生的混合气体，另一不封闭的端头与陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔连通。毛细不锈钢管的空腔内置入温度感应原件K型热电偶（日本产）。热电偶（两根，裸线直径均为0.10mm，并各自绝缘后组合封装在高温绝缘层内，封装后的截面尺寸为0.7mm1.0mm）的一端延伸到毛细不锈钢管的封闭端，另一端延伸到陶瓷扩散硅气压感应元件处的空腔后，经两个密封绝缘端子转接到空腔外，从而形成两个K型热电偶补偿导线的接线点，以通过热电偶引线3连接二次仪表（R4000无纸记录仪）。2为压力变送器。板坯内温度气压测试工作原理示意图见图2-2。具体技术参数如下：温度 测量范围：250； 精度等级：0.5级。压力 测量范围：0-1MPa； 模拟输出：4-20mA； 精度等级：0.5级。 2.3 实验方法2.3.1 单板含水率的控制单板含水率的调整也是保证本研究结果可靠性的基础条件之一。为此，将实验用单板先进行含水率测定，测得单板平均初含水率为11.5%。为保证板坯初含水率均匀稳定，将单板放入将所有单板置于30，90%湿度的恒温恒湿箱进行调温调湿一天，取出后测得含水率为14.1%。一部分擦水控制水分增加量调节含水率到15%和25%，一部分放入20烘箱，调节含水率至5%。 2.3.2 温度气压测点的设置本实验以热压温度、热压压力、单板初含水率为变量，分别进行热压实验，将取得的曲线图进行对比、分析得出结论。采用无胶的环境，三层胶合板四张单板，芯层为纹理方向相同的两张单板算作一层，在这两张单板中间开直径2mm的圆弧槽（如图2-2），将温度压力一体式传感器不锈钢探针插入该槽，通过探针顶端的圆孔收集数据，测试点为芯层中心。同时，在芯层不同位置以及胶合板的不同厚度上设置测试点，监测不同厚度及芯层不同位置的温度变化规律。根据板坯内位置的重要性，布置温度和气压测点。常规热压时，热压过程中的传热是：热先从压板传给板坯表面，进而从表面传到表层，再从表层传到芯层；当热压过程进行到一定时间后，一部分热量又从芯层传到板坯边缘，在板坯边缘产生热散损失。热压过程中的传质是：热压开始不久，板坯内的水分即会以蒸汽形式从表层向芯层传递，并在到达芯层时发生相变而凝结为水并放出热量，发生热与质的同时传递。当热压过程延续到一定的时候，部分水分又在蒸汽压力梯度的作用下从芯层传到板坯边缘，且有一小部分从板坯边缘向周围空气散逸。因此，测点在厚度方向上和芯层平面上的具体配置如图2-2所示。1、2、3和6是芯层平面上的测点，在芯层平面的对称轴上。1号测点离板坯边缘50mm，离板坯芯层中心点150mm；2号测点离板坯边缘125mm，离板坯芯层中心点75mm；3号测点在板坯芯层中心点上；6号测点离板坯边缘10mm，离板坯芯层中心点190mm。3、4和5是板坯厚度方向上的测点，在垂直板坯的中心轴上。3号测点是芯层平面和厚度方向的公共测点；4号测点在芯板的外表面的中心，5号测点在表层外侧中心。4、5号测点布置在板坯的上半部可以减少装板和热压机闭合过程中下压板对板坯内传热和传质的影响。为方便试验结果的分析和讨论，将6、1、2、3、4和5测点依次分别称为芯层边缘、芯层次边缘、芯层次中心、芯层中心或芯层（对厚度而言）、次表层和表层。测试点设置参照图2-2。2.3.3 温度和气压的测量方法本研究中板坯内温度气压测试工作原理示意如图2-3。温度压力一体式传感器采集的温度信号直接送至R4000无纸记录仪的热电阻通道，气压信号经压力变送器转换成电信号后送至R4000无纸记录仪压力通道，并经记录仪处理后显示在TFT屏幕上并储存在内存里，进而用读卡器将储存在内存中数据读取到计算机或用RS-232/RS-485转换器直接联接到计算机进行分析处理。 2.3.4 实验过程实验过程为：组坯、插入传感器、热压、卸板、取出传感器。采用人工组坯，组坯时芯层为开好槽的两张纹理相同的单板，算作一层，再按纹理交错原则组坯，在组坯过程中将各K型热电偶和温度气压一体式传感器安装入单板中 ，用胶布固定，装好后的实际效果如图2-4。将安放好测试点的板坯缓缓推入热压机，注意过程中必须使温度压力一体式传感器保持与板坯一致的速度，随板坯一起移动，以免传感器在板坯内的位置发生偏移。热压过程中通过R4000无纸记录仪观察各测试点的温度或压力，热压20分钟后开模，取下板材。实际操作如图2-5。2.4 实验方案试验中取热压温度、热压压力和板坯初含水率为变量，以考察其对纤维板热压过程中传热传质的影响。四个变量的中间水平取热压温度（即压板温度）115、热压压力1.5MPa和板坯初含水率15%。当研究某个变量对热压过程中板坯内的温度和气压的影响时，将其他三个变量固定在中间水平上，这样既可重点研究生产中最关心的变量水平又能减少试验次数。热压温度（即压板温度）取95、115、140三个水平，热压压力取1.0MPa、1.5MPa、2.0Mpa三个水平，板坯初含水率取5%、15%、25%三个水平。三个变量共计3+3+3=9个组合，其中3个组合是相同的，不同的组合实际是7个。每个组合重复三次，共计73=21次试验。具体试验方案如表2-6所示。序号厚度（mm）温度（）压力（MPa）含水率（%）18951.515281151.515381401.515481151.015581151.515681152.015781151.55881151.515981151.5253 结果与分析3.1 胶合板热压过程传热传质情况根据以上的方案和设计，胶合板热压过程中，在各种不同情况下板坯内的温度与气压随时间的变化如图3-1至3-7所示。图3-1 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度115，热压压力1.5MPa，板坯初含水率 15%）Fig.3-1 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:115,pressing pressure:1.5MPa,initial MC of mat:15% ）图3-2 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度95，热压压力1.5MPa，板坯初含水率 15%）Fig.3-2 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:95,pressing pressure:1.5MPa,initial MC of mat:15% ）图3-3 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度140，热压压力1.5MPa，板坯初含水率 15%）Fig.3-3 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:140,pressing pressure:1.5MPa,initial MC of mat:15% ）图3-4 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度115，热压压力1.0MPa，板坯初含水率 15%）Fig.3-4 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:115,pressing pressure:1.0MPa,initial MC of mat:15% ）图3-5 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度115，热压压力2.0MPa，板坯初含水率 15%）Fig.3-5 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:115,pressing pressure:2.0MPa,initial MC of mat:15% ）图3-6 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度115，热压压力1.5MPa，板坯初含水率 5%）Fig.3-6 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:115,pressing pressure:1.5MPa,initial MC of mat:5% ）图3-7 热压过程中板坯内的温度和气压的变化曲线（热压温度115，热压压力1.5MPa，板坯初含水率 25%）Fig.3-7 Curves of temperatures and gas pressures in mat during hot pressing （pressing temperature:115,pressing pressure:1.5MPa,initial MC of mat:25% ） 图3-1是含水率15%的杨木单板在热压温度115，1.5MPa压力下热压时各测试点的温度、压力，即方案中所采用的中间水平，简要说明3-1。由图可知: 1.胶合板热压过程中典型的温度变化可分为三段，即温度快速上升阶段，减速升温阶段，温度基本不上升的平台期阶段。在板坯加热初期，此阶段板坯温度提高速度较快，表层和芯层的温度略有差异，表层升温速度最快，这主要是由于板坯进入压机后，表层与压机板面接触，产生很大的温度差，表层与芯层在在升温时间上也存在差值。另外，在压机闭合后，压机温度瞬间小幅降低，这是由于板坯升温需要很多的热量，板坯吸收压板的热量提热。在板坯加热中期，表层温度与芯层温度基本相同，板坯温度的传热速度增加减缓。当加热过程达到温度平衡阶段时，板坯的表层温度和芯层湿度基本相同。边缘温度略低，因为边缘存在热量散失。2.胶合板压力变化可分为五段，即压力不上升或上升非常缓慢的阶段，快速上升阶段，减速上升阶段，温度基本不上升的平台期阶段和缓慢下降阶段。初期压力不为零，是因为板坯中的气体受热膨胀产生压力；当板坯内的温度达到100左右时，压力急速上升，是因为温度达到100时，板坯内水分蒸发生成大量水蒸汽；当板坯中自由水蒸发殆尽，结合水开始蒸发，因此，板坯压力仍在缓慢上升；板坯内水汽生成与散失差不多时，压力基本保持在一个稳定的阶段；在热压后期，压力缓慢下降，此时，水汽生成速率小于散失的速率。3.2 不同热压温度下胶合板传热传质情况 图3-8、3-9是在95、115、140热压温度下的板坯表层和芯层（由于芯层各测点除边缘测点6之外温度曲线基本重合，故只选择一组数据）的温度图线及芯层中心由温度压力一体化传感器测得的压力图线。 由图3-8可看出，不同的热压温度下，无论板坯的表层还是芯层，板坯快速升温阶段的升温速率，随着热压温度的升高而加快。并且升温到目标温度的时间略有差异，温度越高，达到稳定期需要的时间越久。温度越高，表层和芯层达到基本一致的时间也越久。 由图3-9可看出，95时压力值不为零，但始终保持在一个稳定水平，说明在95热压时，由于还未达到水的沸点，只有少数水分的蒸发和气体膨胀所产生的压力；在115、140时压力变化呈现上面说到的五段式变化，且热压温度越高，上升速度越快，达到稳定后内部压力越大。图3-8 不同温度下板坯热压时各测试点的温度Fig.3-8 measured temperature of a mat under different temperature图3-9 不同温度下板坯热压时各测试点的压力Fig.3-9 measured gas pressure of a mat under different temperature 3.3 不同热压压力下胶合板传热传质情况 图3-10、3-11是在1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa单位压力下的板坯表层和芯层（由于芯层各测点除边缘测点6之外温度曲线基本重合，故只选择一组数据）的温度图线及芯层中心由温度压力一体化传感器测得的压力图线。 由图3-10可看出，不同的单位压力下，无论板坯的表层还是芯层，板坯快速升温阶段的升温速率，随着单位压力的升高而加快。并且升温到目标温度的时间略有差异，单位压力越大，达到稳定期需要的时间越短。单位压力越高，表层和芯层达到基本一致的时间也越短。 由图3-11可看出，压力变化呈现上面说到的五段式变化，且单位压力越大，压力上升速度越快，达到稳定后内部压力越大。图3-10 不同单位压力下板坯热压时各测试点的温度Fig.3-10 measured temperature of a mat under different pressure图3-11 不同温度下板坯热压时各测试点的压力Fig.3-11 measured gas pressure of a mat under different pressure 3.4 不同初含水率的胶合板传热传质情况 图3-12、3-13是在初含水率5%、15%、25%的单板热压时板坯表层和芯层（由于芯层各测点除边缘测点6之外温度曲线基本重合，故只选择一组数据）的温度图线及芯层中心由温度压力一体化传感器测得的压力图线。 由图3-12可看出，不同的初含水率时，无论板坯的表层还是芯层，板坯快速升温阶段的升温速率相差不大，说明初含水率对胶合板热压过程中的温度影响不大。由图3-13可看出，初含水率5%时，板中自由水几乎已经不存在，由于板内水分含量实在太少，压力只是由气体膨胀和少量水分蒸发提供，压力较小且基本稳定；初含水率越高时，压力变化明显。初含水率高，压力在快速上升阶段，上升速率快，且达到稳定期时的压力值大。图3-6不同初含水率下板坯热压时各测试点的温度Fig.3-6 measured temperature of a mat under different moisture content 图3-7 不同温度下板坯热压时各测试点的压力Fig.3-7 measured temperature of a mat under different moisture content4.2 总结1.胶合板热压过程中典型的温度变化可分为三段，即温度快速上升阶段，减速升温阶段，温度基本不上升的平台期阶段。胶合板热压升温时表面最快，次表面和芯层升温速率基本相同，达到稳定后测试点温度基本相同。2.胶合板压力变化分为两种情况：热压温度100以下，压力基本没有变化；热压温度超过100，压力变化可分为五段，即压力不上升或上升非常缓慢的阶段，快速上升阶段，减速升温阶段，温度基本不上升的平台期阶段和缓慢下降阶段； 3.热压温度越高，板内气压上升速度越快，并且升温到目标温度的时间略有差异，温度越高，达到稳定期需要的时间越久。温度越高，表层和芯层达到基本一致的时间也越久。热压温度越高，上升速度越快，达到稳定后内部压力越大。 4.热压单位压力大，升温速度越快，达到稳定期需要的时间越短。单位压力越高，表层和芯层达到基本一致的时间也越短。单位压力越大，压力上升速度越快，达到稳定后内部压力越大。 5.初含水率对温度影响不大，但是对压力影响较大，含水率高时压力明显增大。参考文献1FFP科尔曼木材学与木材工艺学原理M北京：中国林业出版社，19842华毓坤人造板工艺学M北京：中国林业出版社，20023陈绪和人造板工业发展态势J木材工业，2005，19（1）：7-10，154叶克林，熊满珍我国胶合板生产和贸易的现状和展望J木材工业，2006，20（2）：26-295联合国粮农组织统计数据库FAOSTAT（1998-2009）6金波.郭青俊.冯达.中国人造板产业国际竞争力分析,未来与发展，2012年第1期7刘艳萍.陈志林.曾辉.杨木特性对其胶合板质量的影响及对策,河南林业科技，2006年3月8Wolcott M P，Kamke F A，Dillard D AFundamentals of flakeboard manufacture： viscoelastastic behaviour of the wood componentJWood and Fiber Science，1990， 22（4）： 345-3619Zombori B G，Kamke F A，Watson L TSimulation of the mat formation processJWood and Fiber Science，2001，33（4）：564-57910Bolton A J，Humphrey P EThe hot pressing of dry-formed wood-based composites： Part I，review of the literature：identifying the primary physical process and the nature of the interactionJHolzforshung，1988，42（6）：403-40611Seiner P R，Dai CSpatial structure of wood composites in relation to processing and performance characteristics：Partl，Rationale for model developmentJWood Science and Technology，1993，28：45-5112Tschegg E K，Dai C，Stanzl-Tschegg S E，et alFracture behaviour of laminated veneer lumber under Mode I and III loadingJWood Science and Technology，2002，36：319-33413Kamke F A，Casey L JGas pressure and temperature in the mat during flakeboard manufactureJForest Products Journal，1988，38（3）：41-4314Kamke F A，Casey L JFundamentals of flakeboard manufacture：internal-mat conditionsJForest Products Journal，1988，38（6）：38-4415 王逢瑚.李鹏.陶毓博.木材单板热压导热数学模型和可视化数值解的研究，材料热处理学报，2005年2